书城科普必知的科技之最(青少年科技爱好培养)
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第4章 发明之最(2)

高杨谦二郎(生于1899年1月20日)于1926年12月25日成功地用一个布劳恩阴极电子管和一个尼伯圆片,在日本的滨津技术学院传送了一张40行的电子图像。

贝尔德在1929年9月30日借助于BBC的发射台,开始了他首次的电视“服务”。1930年5月命名第一架电视机为贝尔德电视机。30行扫描的公开转播是于1932年8月22日至1935年9月11日间进行的。

最早的眼镜

眼镜到底是何时发明的,世界上各国传说各异,记载纷纭。

许多书上有这样一种传说,早在公元前2283年,中国皇帝就利用透镜观察星星,眼镜是由中国传到国外的。据孔子(公元前551~前479年)说,中国那时就有人戴用水晶和其他透明矿物制做而成的眼镜,以此来遮阳光或医治眼睛疾病。还有一种传说是:罗马皇帝尼禄(公元37~68年)非常喜欢绿宝石(绿玉石是一种高贵的铍硅硅化物的结晶,其中掺有铬的成分,即成为绿色),他在观看奴隶争斗时就配戴绿宝石。

利用透镜来放大,以便清楚地观看事物,这是最原始的眼镜。1267年,培根制成了实物,用来阅读圣经,但并未普遍使用。意大利北部威尼斯图书馆及比萨修道院均可看见这种实物。

针销或铆合是最古老的眼镜式样。镜片镶配在简单的木框中,每框有一个短柄,在两个短柄端互相铆合。

此后,人们又发明用架脚将两镜框连接,固定在耳朵上,不过也有使用皮带或织带将眼镜紧捆在头部的。这类眼镜的发明者,是意大利的斯必拿和阿鲁马达斯。

到16世纪眼镜制造技术又进行了改进,出现了用跟鼻梁宽窄适合的镜桥联结在一起的眼镜。后来又出现了夹鼻眼镜,然后才出现了用眼镜脚挂到耳朵上的眼镜。最早的这样一副眼镜是埃尔格雷科在16世纪末制成的。

从1840年起,维也纳开始使用玻璃制的眼镜,而不再用透明的水晶眼镜了。

磨制眼镜镜片的工艺相当复杂,技术发展比较缓慢,直到20世纪初才有正确成像的眼镜镜片。它是由阿贝教授、罗尔、亨格合作制成的。

最早的望远镜

伽里略望远镜是世界上最早的望远镜,它是1609年意大利科学家伽里略制造的。

那是一台折射望远镜。它用一块凸透镜作物镜,一凹透镜作目镜,因此观测到的是正像。伽里略在谈到这架世界上第一台望远镜时说:“现在多亏有了望远镜,我们已经能够使天体离我们比离亚里士多德近三四十倍,因此能够辨别出天体上许多事情,这是亚里士多德所没有看见的……”

这就是最初的望远镜,它已为人类提供了许多方便,现在各种各样先进的望远镜都是在它的基础上制造出来的。

太空中最大的光学仪器

对于天文观测来说,大气是令人讨厌的,它限制了人们的眼界。

人造地球卫星上天以后,天文学家和物理学家第一次看到了天文观测的新希望。因为人们把天文望远镜搬到地球大气之外的地球轨道上窥测天涯宇角,是完全可能的了。美国国家宇航局研制的空间望远镜是人类送上太空的最大的光学仪器。

空间望远镜全系统主要由望远镜、观测仪器和辅助系统三部分组成。观测仪器有天体微光照相机、广角照相机、天体摄谱仪等。望远镜所获得的图像、测量数据、光谱分析资料都可以在空间望远镜上直接转换成数字形式,经卫星再传送到地面的宇宙控制中心。

空间望远镜进入地球轨道以后,可以通过磁力扭矩和反动轮控制它的方位。磁力扭矩一经接通电流便立即磁化,望远镜的方位就完全按照地球的磁场方向自动调整。每隔5年,空间望远镜就得进行一次大修,那时技术人员乘坐航天飞机,在轨道上把它装进机内、带回地面;修好后,靠航天飞机再把它送回轨道。

空间望远镜的分辨本领要比地面上同样的望远镜强10倍以上,可以观测到暗50倍、远7倍的暗弱天体。无疑,太空中这台最大的望远镜用于天文观测,将获得更多的资料,对于研究恒星的诞生和死亡、星系的演化,以及揭示类星体、黑洞、宇宙射线大爆发等“宇宙之迷”的奥秘,将作出重大贡献。最大的粒子加速器加速器是一种能人工把带电粒子的束流加速到高能量的装置。它是研究原子核和基本粒子的重要设备,近年来,在工农业和医疗卫生事业中的应用也日益广泛。按粒子运动的轨道形状,可分为直线型和圆型加速器两大类,前者有高压倍加器、静电加速器和直线加速器,后者有电子感应加速器、回旋加速器、质子同步加速器等。

目前世界上最大的粒子加速器是美国费密国立加速器实验室的一台质子同步加速器,它可以把质子加速到500GeV(1GeV代表10亿电子状)。束流强度已达2×1013质子/脉冲。实际上这台大加速器是由4台加速器组成:750keV的预注入器,200MeV的直线加速器,8GeV的快速增强器和500GeV的主加速器。预注入器也叫高压倍加器,是用来产生质子束流的低能强流加速器。质子从这里开始加速,把从离子源中引出的负氢离子加速到750keV;直线加速器,它由9节组成,总长约150米,安装在地下隧道之中,它的作用是把预注入器中产生的束流加速到200MeV;束流从直线加速器出来,经中能输运段,就来到快速增强器。这也是一个同步加速器,每秒钟可加速15次。负离子注入时穿过一层薄膜,就剥去外层电子而成为质子。经多次加速后能量可达8GeV。然后引出束流向主加速器注入。主加速器直径2千米,是截面为马蹄形的混凝土隧道,铺设在深约7米的地下。它的作用是把质子加速到高能量,完成最后的加速。正常运行能量为400GeV,最高能量达500GeV。计划在主加速器上再造一个超导主加速器环,预计能量可提高到1000GeV。第一个现代物理实验室19世纪末叶,物理学进入了一个新的发展时期,推动物理学发展的物理实验,同时从经典物理学发展时期以个人为主辅以简单仪器进行研究的形式,发展到近代物理学研究中集体分工合作并配备高级精密仪器的形式。这种发展,导致现代物理实验室的出现。

最早的现代物理实验室是英国的卡文迪许实验。不少人以为这个实验室是著名的英国科学家、引力常数的测定者、确定水的组成并发现氢气的亨利·卡文迪许建造的,其实不是这么回事。当卡文迪许实验室建成时,亨利·卡文迪许离开人间已有半个多世纪了。卡文迪许实验室是在英国公爵德冯夏尔·卡文迪许的资助下建成的。这位同姓的公爵是亨利·卡文迪许的亲戚。卡文迪许实验室于1872年破土动工,两年后就在剑桥自由学校巷里建成。说也奇怪,这个物理实验室竟是在一位著名的理论物理学家——麦克斯韦的领导下筹建的,他还是它的第一任主任。为了给实验室增添仪器,麦克斯韦拿出了自己不多的积蓄。

卡文迪许实验室它不仅出成果,而且出人才。许多有成就的物理学家都曾在这里受到过现代物理学的熏陶。领导卡文迪许实验室的都是成就辉煌、赫赫有名的现代物理学大师。继麦克斯韦之后,任卡文迪许实验室主任的有:现代声学和光学的奠基人瑞利,电子的发现者J·J·汤姆逊(他在28岁时就当上了主任),现代原子核物理学之父卢瑟福,以科学研究组织工作见长的W·L·布拉格,现代固体物理的先驱莫特。除麦克斯韦之外,都是诺贝尔奖金获得者。引力波的最早检验人们所熟知的万有引力的本质是什么?牛顿认为是一种即时超距作用,不需要传递的“信使”。爱因斯坦则认为是一种跟电磁波一样的波动,称为引力波。电荷被加速时会发出电磁辐射,同样,有质量的物体被加速时就发出引力辐射。这是广义相对论的一项重要预言。但引力波那么微弱,茫茫宇宙,到哪里去寻找它呢?

1959年美国马里兰大学教授韦伯发表了证实引力波存在的消息,这引起世界物理学界一阵狂热的激动。事情是:韦伯等人制造了6台引力波检波器,分别放在不同地点,进行长期的检波记载。结果发现在各台检波器上都记录到一种相同的、不规则的“扰动”,并证明它并不是由声学振动、地震、电磁干扰或宇宙线干扰等引起的。因此他们认为,“不能排除,这就是引力波”。之后许多国家的科学家采用各种方法企图证实宇宙深处的同样“来宾”,但终未得到肯定的结果。于是激动之余,便只能叹息罢了。

以后射电天文学的蓬勃发展给物理学家们开辟了新的探测途径。射电望远镜的探测本领比光学望远镜强得多。美国天体物理学家泰勒等人在六年前,靠着射电望远镜发现了一个双星体系——脉冲射电源(PSR1913+16)。按照广义相对论计算,双星相互绕转,发出引力辐射,它们的轨道周期就因此而变短,(PSR1913+16)的变化率为-2.6×10-12。而在前年,他们也是采用精密的射电仪器,由实验得到观察值为-(3.2±0.6)×10-12,与理论计算值在误差范围里正好符合。这可以说是引力波的第一个定量证据。

上述消息传开,引起世界物理学界更大的激动。科学家们信心倍增,为欢迎引力辐射这位宇宙“娇客”,将开展更为广泛的探索研究。因为对引力波的探测不仅可进一步验证广义相对论的正确性,而且将为人类展现出一幅全新的物质世界图景,茫茫宇宙,到处有物质,到处有引力辐射。约100年前对电磁波的验证,使人类从此进入电子时代,取得惊天动地的巨大成就;那末,让我们设想一下,要是有朝一日,引力波被完全确证,人类社会将会发生怎么样的深刻变化呢?最强的人工磁场磁场有很大的用处,如仪表和喇叭里需要永久磁铁,高能加速器中带电粒子需要靠磁场帮助加速,电动机和发电机需靠磁场才能转动和发电……在多数情况下,人们希望磁场的强度越大越好。

过去,人工制造的永磁材料磁性都不太强。从60年代到70年代,人们相继发现将钐、镨等稀土元素与金属钴和钛等稀土元素与金属铁合成的永磁材料磁性特别强。用这种稀土钴和稀土铁永磁材料做成的永久磁铁是迄今为止磁性最强的永久磁铁,已在工业、农业、宇航等部门得到了应用。

尽管如此,磁性最强的稀土钴和稀土铁永久磁铁,即使磁路设计得相当合理,其磁极附近的表面磁场强度也不过80万安每米左右,远远不能满足一些特殊的需要。

目前,人们应用的电磁铁,可以获得比永久磁铁强得多的磁场强度,但要依靠电磁铁却很难获得800万安每米的磁场强度。1961年世界上第一台超导磁体诞生了。这种磁体主要是用超导材料做成的。在低于一定温度时,超导材料会突然失去电阻,呈现超导状态。利用超导材料这一性质,可以在超导体中产生很大的电流,从而产生很强的磁场,而消耗的电能却很少。十几年来,超导磁体越做越大,超导磁场越做越强。现在,1200万安每米以上的超导磁体的制造技术已经相当成熟,1600万安每米以上的超导磁体也已制成。这样规模的超导磁场是迄今为止世界上能实用的最强的人工稳恒磁场了。随着优质超导材料的出现,超导磁场的强度可望得到进一步提高。例如,1974年新发现了一种名叫铅钼硫化合物的第二类超导材料,它的上临界磁场强度可达4800万安每米。

1960年左右,意大利科学家用“爆聚法”获得了非常强的脉冲磁场。到了70年代末,人们用这种方法已经得到了高达16000万安每米的脉冲磁场。能量最高的对撞机现在,高能加速器的规模十分巨大,象费米实验室的10,000亿电子伏的质子同步加速器,其圆形轨道已达6000余米。如要继续提高能量,那加速器的占地面积就势必大大增加。譬如,能量达亿亿电子伏的加速器,就要做得象地球一般大了。当然,这是不可能的事。那怎么办呢?制造对撞机是个好办法。

对撞机,顾名思义就是实现两束高能粒子对头碰撞的机器。我们知道,如用一束高能粒子去轰击静止靶,那么高能粒子的能量只有一小部分对于发生相互作用有效,即有效能量很低,而使两束高能粒子对头碰撞,其有效能量就会大得多。例如:两束300亿电子伏的质子对头碰撞,其作用约相当于1束19万亿电子伏的质子去轰击静止的质子;两束200亿电子伏的电子对头碰撞,其作用相当于一束1600万亿电子伏的电子去轰击静止的电子。显然,从能量的角度来看,对撞机要比普通的高能加速器优越得多,所以对撞机是进行“超高能”实验的主要手段之一。

目前,世界上能量最高的对撞机要算德国汉堡电子同步加速器中心的电子-正电子对撞机(PETRA)。它于1976年1月动工,1979年4月正式建成。目前能量已达19GeV×19GeV,约相当于普通高能加速器能量的1444万亿电子伏。